Spintronics

Ο όρος «spintronic» εισήχθει το 1996 και αναφέρεται στο κομμάτι της φυσικής επιστήμης που ασχολείται με την χειραγώγηση, αποθήκευση και μεταφορά της πληροφορίας μέσω του ηλεκτρονιακού spin (ιδιοστροφορμή του ηλεκτρονίου). Αυτό γίνεται είτε επιπρόσθετα με το ηλεκτρονιακό φορτίο, είτε στη θέση του ηλεκτρονιακού φορτίου, στο οποίο βασίζονται στα συμβατικά ηλεκτρονικά. Το ερευνητικό αυτό πεδίο ουσιαστικά γνώρισε ιδιαίτερη άνθηση μετά την ανακάλυψη της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης GMR (Giant Magnetoresistance) (2007 Nobel prize Grünberg and Fert) [1] στις αρχές της δεκαετίας του 90, και 10 χρόνια αργότερα οδήγησε στην αύξηση ακόμα και κατά 100 φορές στην αποθηκευτική ικανότητα των σκληρών δίσκων.

Πλέον έχουν διαμορφωθεί τρεις στενά συνδεδεμένες κατηγορίες «spintronic»: από i)
φερρομαγνητικά μέταλλα, ii) φερρομαγνητικούς ημιαγωγούς, και iii) παραμαγνητικούς ημιαγωγούς. Μέχρι προσφάτως η τεχνολογία επεξεργασίας της πληροφορίας στηρίχθηκε σε συσκευές βασισμένες στο φορτίο του ηλεκτρονίου (charge – based), από τους σωλήνες κενού μέχρι τα σημερινά μικροτσίπ που αποτελούνται από χιλιάδες τρανζίστορ. Οι συσκευές αυτές βασίζονται στην κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, και αγνοούν τον επιπρόσθετο βαθμό ελευθερίας που παρέχει το ηλεκτρονιακό spin και το οποίο είναι μία έμφυτη ιδιότητα του ηλεκτρονίου. Ο μαγνητισμός και η ιδιότητα του spin είναι άρρηκτα συνδεδεμένες. Σε ένα συμβατικό ηλεκτρικό κύκλωμα τα spin είναι τυχαία προσανατολισμένα και δεν έχουν καμία επίδραση στη ροή του ρεύματος. Η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου, οδηγεί στον προσανατολισμό  των spin ως προς εφαρμοζόμενο πεδίο (πόλωση των spin). Τα φερρομαγνητικά υλικά είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για αυτές τις εφαρμογές, διότι εμφανίζουν αυθόρμητη μαγνήτιση ακόμα και χωρίς την επίδραση μαγνητικού πεδίου, δημιουργώντας την απαιτούμενη ανισορροπία στην συγκέντρωση των πολωμένων spin στο επίπεδο Fermi. Αυτή η ανισορροπία στις διαθέσιμες ενεργειακές καταστάσεις ανάλογα με την πόλωση των spin οδηγεί σε διαφορετικές κινητικότητες των ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια υπάρχει διαφορά στην αντίσταση που αντιλαμβάνονται.

Η διαμόρφωση ρευμάτων πολωμένου spin έχει προσελκύσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο εξαιτίας τον μαγνητο-ηλεκτρονικών εφαρμογών [2], αλλά και από επιστημονικής απόψεως λόγω των φυσικών φαινόμενων που λαμβάνουν χώρα. Η πρώτη γενιά «spintronic» βασίστηκε σε φερρομαγνητικά και αντι-φερρομαγνητικά υλικά και χρησιμοποιείται εκτεταμένα στην τεχνολογία των σκληρών δίσκων. Η βιομηχανία αποθήκευσης πληροφορίας παρείχε την αρχική επιτυχία στην τεχνολογία των «spintronic». Πλέον οι υπολογιστές διαθέτουν μεγάλης χωρητικότητας σκληρούς δίσκους που βασίζονται στο φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης, για να γίνει η ανάγνωση των δεδομένων. Μια δεύτερη εν δυνάμει  εφαρμογή της τεχνολογίας αυτής είναι οι μαγνητικές μνήμες MRAMs.

Η δεύτερη γενιά «spintronic» έχει σαν στόχο τον συνδυασμό μαγνητικών υλικών με ημιαγωγούς και αναπτύσσεται ραγδαία [3],[4]. Ένας τέτοιος συνδυασμός ημιαγωγών με
μαγνητικά υλικά επιτρέπει την ταυτόχρονη ολοκλήρωση μαγνητικών, ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών λειτουργιών σε μία και μόνο συσκευή η οποία προσφέρει επιπλέον βαθμούς ελευθερίας, παρέχοντας έτσι βελτιωμένη απόδοση. Η σημαντικότερη εν δυνάμει εφαρμογή της δεύτερης γενιάς «spintronic» είναι οι κβαντικοί υπολογιστές [5].

Κρίμπαλης Σπύρος

[1] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/

[2] J.M. Daughton, A.V. Pohm, R.T. Fayfield, C.H. Smith, Applications of spin dependent transport Materials, J. Phys. D: Appl. Phys. 32, R169 (1999).

[3] S.A. Wolf, D.D. Awschalom, R.A. Buhrman, J.M. Daughton, S. von Molnár, M.L. Roukes, A.Y. Chtchelkanova, D.M. Treger, Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision
for the Future
, Science 294, 1488 (2001).

[4] Žutic, J. Fabian, S.D. Sarma, Spintronics: Fundamentals and applications, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004).

[5] Morello, J.J. Pla, F.A. Zwanenburg, K.W. Chan, K.Y. Tan, H. Huebl, M. Möttönen, C.D. Nugroho, C. Yang, J.A. van Donkelaar, A.D.C. Alves, D.N. Jamieson, C.C. Escott, L.C.L. Hollenberg, R.G. Clark, A.S. Dzurak,  Singleshot readout of an electron spin in silicon, Nature 467, 687-691 (2010).

This entry was posted in Φυσική and tagged , , , , . Bookmark the permalink.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *